Motori Idraulici: Funzionamento e Principi

Le macchine idrauliche, strumenti e macchinari che sfruttano la potenza di un fluido per compiere lavoro, trovano impiego in svariate applicazioni pesanti. Un vantaggio cruciale di una trasmissione idraulica è la sua capacità di trasmettere notevoli potenze a qualsiasi distanza tramite tubi flessibili. Questo consente di realizzare trasmissioni disassate e senza particolari vincoli di allineamento, con l'ulteriore vantaggio di assorbire efficacemente i picchi di carico derivanti da urti e sovraccarichi. Inoltre, la disponibilità di una vasta gamma di attuatori standardizzati aumenta la versatilità delle trasmissioni idrauliche.

Principi di Funzionamento

Un'altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la possibilità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e - di nuovo - in maniera indipendente dalla distanza fra ingresso e uscita, senza la necessità di un collegamento meccanico (ingranaggi, cinghie, pulegge). Questa moltiplicazione si può realizzare in vari modi; come esempio si può pensare ai cilindri idraulici, in cui basta modificare l’area del pistone (a pari pressione) per ottenere una forza maggiore.

I motori idraulici svolgono la funzione inversa delle pompe, convertendo l'energia idraulica in energia meccanica di tipo rotatorio. Analogamente alle pompe, esiste una vasta gamma di forme e principi costruttivi per i motori. Molte delle considerazioni costruttive applicabili alle pompe volumetriche possono essere estese anche ai motori volumetrici corrispondenti.

Circuiti Idraulici: Aperti e Chiusi

Nel caso dei circuiti aperti si utilizzano pompe che forniscono una portata continua di fluido, anche pompe economiche, a cilindrata costante; la gamma dei componenti accessori si limita a valvole di sfogo (per evitare sovraccarichi di pressione) e valvole di controllo (per permettere il deflusso del fluido verso il serbatoio). Per permettere il funzionamento del motore in entrambi i sensi di rotazione, è necessario invertire il flusso del fluido.

I circuiti chiusi invece permettono il funzionamento anche in modalità reversibile, ovvero con il motore che assorbe potenza (frenando l’utilizzatore). Per evitare la cavitazione, tutte le condotte vengono alimentate da una pompa ausiliaria, che fornisce una portata di poco superiore a quella di trafilamento. Una valvola di massima pressione scarica la portata in eccesso.

Potenza Idraulica e Rendimento

La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q * p). In realtà la potenza reale è diversa dalla potenza teorica. Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione. Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq * Qteorica). Il rendimento meccanico invece (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp * pteorica). Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.

Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite. Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni. Anche queste vengono in genere fornite dal produttore dei tubi, in genere con abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.

Fluidi Idraulici

Come già spiegato, il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi. I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.

Tipologie di Pompe Idrauliche

Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema. Solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili.

Pompe a ingranaggi: Economiche, a durata elevata, dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa, e sono solitamente utilizzate per pressioni sotto ai 20 MPa. Il funzionamento è molto semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l’altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano fra i fianchi dei denti e la superficie cilindrica del corpo pompa. In questo modo si genera una portata volumetrica, mentre una piccola parte di fluido defluisce all’indietro (abbassando quindi l’efficienza). Sono pompe molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo.
Pompe a pistoni: Vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema. In genere è presente un corpo cilindrico rotante con cilindri scavati. I pistoni sono collegati mediante cerniere e pattini al piatto inclinato (che è fisso rispetto al carter); i pistoni sono trascinati dal corpo rotante. Un’altra modalità costruttiva è quella a corpo inclinato. Nelle pompe a pistoni assiali il numero cilindri è in genere 5 o 7, comunque dispari (per evitare punti morti).

Nelle pompe a cilindrata variabile, la portata può variare per effetto di due regolazioni. Come già visto è possibile regolare la cilindrata della pompa modificando la corsa dei pistoni, ma è anche possibile modificare la velocità di rotazione del motore, e di conseguenza della pompa.

Motori LSHT (Low Speed High Torque)

Pochi tipi di motori sono utilizzabili sia a velocità di rotazione molto basse che a quelle superiori a 1000 RPM. I motori lenti detti anche motori LSHT (Low Speed High Torque) oltre a presentare basse velocità di rotazione presentano coppie elevate e sono ideali per tutte quelle applicazioni nelle quali l’utilizzatore richiede un carico notevole e basse velocità; infatti in questi casi un motore veloce, oltre a lavorare male, richiede ingombri e, quindi, costi molto più elevati.

Nell’esempio in esame, ciò è realizzato tramite un anello fisso che presenta una serie di condottini disposti in direzione assiale, di questi una metà (pari al numero delle camme) è posta in comunicazione con condotto toroidale in comunicazione con l’ammissione e l’altra metà con un condotto toroidale collegato allo scarico. Il rotore, all’interno del quale sono realizzati i cilindri in cui alloggiano i corrispondenti pistoni, presenta, per ciascun cilindro, un condottino disposto anch’esso in direzione assiale e collegato al cilindro stesso. Questo condotto, a causa della rotazione del rotore, viene in contatto, alternativamente, con i condotti fissi di alta e bassa pressione.

La versione multicorsa di questi motori presenta, al posto del piatto inclinato, un disco che è disposto perpendicolarmente all’asse di rotazione. Solo i motori a palette fanno eccezione in quanto all’avviamento, per l'iniziale assenza delle forze centrifughe, le palette non riescono ad aderire sufficientemente ai fianchi dello statore per fare una adeguata tenuta, conseguentemente la coppia di avviamento si riduce notevolmente.

Predimensionamento di un Circuito Idraulico

Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto. La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q * 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.

Una volta scelti i componenti principali non resta che scegliere i tubi. La scelta è facilitata dai cataloghi dei produttori, che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione. Lo stesso vale per i raccordi e per le valvole di controllo; una volta scelti questi componenti e calcolate le perdite distribuite e concentrate, è utile ricalcolare la pressione e la portata richieste alla pompa, per valutare se si è ancora nel campo di regolazione della stessa.

Impianti Oleodinamici

In un impianto oleodinamico, l’energia meccanica viene inizialmente convertita in energia idraulica. Riassumendo, il funzionamento di un impianto oleodinamico è il seguente: partendo da energia di tipo termico o elettrico tramite un motore primo è possibile azionare una pompa che genera energia idraulica.

La possibilità di partenza a pieno carico è legata alla facilità di ridurre la coppia resistente utilizzando componenti (di solito valvole) che sono già presenti nell’impianto per svolgere altre funzioni, ciò permette di evitare l’uso di frizioni. Attualmente, mediante convertitori di frequenza, è fattibile anche con sistemi elettricielettronici, ma l’analisi dei costi dimostra che i sistemi oleodinamici sono da preferire.

Questo requisito non trova corrispondenza negli altri settori e rende quasi indispensabile l’uso di sistemi oleodinamici ogni qual volta si prevedono forti oscillazioni del carico e quindi sovraccarichi. D’altra parte, rispetto a sistemi puramente elettrici-elettronici, l’oleodinamica è in grado anche di controllare movimenti estremamente lenti, per i quali i primi mostrano delle difficoltà.

L’uso di un accumulatore idraulico permette di immagazzinare energia sotto forma di energia di pressione; energia che può essere utilizzata o negli istanti in cui si devono fronteggiare picchi di potenza richiesta o per completare delle operazione in caso di avaria (per es.

Simboli Idraulici

Che cosa rappresentano i vari simboli idraulici impiegati nell’ambito della circuiteria fluidica, ovvero cerchi, semicerchi, quadrati, rettangoli, rombi e linee negli schemi idraulici? I cerchi e i semicerchi sono utilizzati per rappresentare dispositivi rotanti come pompe o motori.

I motori sono spesso capaci di ruotare in entrambe le direzioni, quindi presentano triangoli sia nella parte superiore che inferiore del cerchio.

I simboli idraulici possono essere combinati in infinite modalità che rappresentano macchine reali. Gli esempi sotto riportati sono solo un minimo campione dei simboli comunemente utilizzati. Sono generalmente indicate con il simbolo di una “scatola”, con le varie posizioni di riposo e la posizione di commutazione (elettrica, manuale, pneumatica, idraulica) chiaramente segnate. Generalmente la posizione di riposo è quella indicata a disegno e si collega al resto dello schema idraulico.

tag: #Idraulici